KR20090026769A - Steel for forging, process for producing the same, and forged article - Google Patents

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Abstract

A steel for forging which is for obtaining a forged article with excellent fatigue properties and in which inclusions have been reduced in size; and a useful process for producing the steel for forging. Also provided is a forged article (especially, solid type crankshaft) obtained from the steel for forging. It can have satisfactory fatigue properties and the inclusions therein have been reduced in size. The steel for forging is characterized in that the concentration of magnesium in solution in the steel is 0.04-5 ppm and that of aluminum in solution in the steel is 50-500 ppm.

Description

단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조품{STEEL FOR FORGING, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND FORGED ARTICLE}Forging steel, manufacturing method and forging thereof {STEEL FOR FORGING, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND FORGED ARTICLE}

본 발명은 단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품에 관한 것으로, 특히 강 중에 존재하는 개재물을 미세화시킨 단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품에 관한 것이다. 본 발명의 단조용 강을 이용하여 제조되는 단조품은 기계, 선박, 전기 등의 산업 분야에서 널리 유효하게 활용되는 것이지만, 이하에서는 대표적인 용도예로서 선박용 구동원의 전달 부재로서 이용되는 크랭크축에 적용하는 경우를 중심으로 설명을 진행한다.The present invention relates to a forged steel obtained by using forging steel, a method for manufacturing the same, and a forging steel, and more particularly, to a forging steel obtained by miniaturizing inclusions present in the steel, and a method and a forging obtained by using the forging steel. will be. The forging manufactured by using the forging steel of the present invention is widely used in industrial fields, such as machinery, ships, electricity, etc., but is applied to the crankshaft used as a transmission member of the drive source for ships as a typical use example below The explanation proceeds mainly.

단조용 강을 이용하여 제조되는, 예를 들어 선박용 구동원의 전달 부재인 대형 크랭크축에는 가혹한 사용 환경하에서도 피로 파괴를 발생하기 어려운 우수한 피로 특성이 요구된다.For example, a large crankshaft manufactured by using forging steel, which is a transmission member of a ship driving source, requires excellent fatigue characteristics that are less likely to cause fatigue failure even in a harsh use environment.

크랭크축의 피로 특성을 향상시키는 방법으로서, 비특허 문헌 1에는 가공면에서의 기술을 구사하여 피로 특성을 높인 것이 개시되어 있다. 구체적으로는, 비특허 문헌 1에는 RR(Roedere Ruget)법을 채용함으로써, 자유 단조법으로 제조한 크랭크축보다 피로 특성을 현저하게 향상시킨 것이나, 냉간 롤 가공을 실시하여 피로 강도를 향상시킨 것 등이 개시되어 있다.As a method of improving the fatigue characteristic of a crankshaft, Nonpatent literature 1 discloses using the technique in a machining surface, and improving the fatigue characteristic. Specifically, in Non-Patent Document 1, by employing the Roder Ruget (RR) method, the fatigue characteristics are remarkably improved over the crankshaft manufactured by the free forging method, or the cold roll processing is performed to improve the fatigue strength. Is disclosed.

또한, 비특허 문헌 2에서는 선박용 크랭크축에 채용되는 저합금강의 피로 특성 향상에 대해 검토되어 있다. 구체적으로는, 비특허 문헌 2에서는 (1) 개재물은 피로 파괴의 기점이 되기 쉽고, 강의 고강도화에 따라서 그 경향이 현저해지는 것, (2) 개재물 사이즈가 클수록 피로 강도는 저하되는 것, (3) 신장된 개재물을 포함하는 강재는 피로 강도의 이방성이 나타나기 쉬운 것 등이 개시되어 있다. 그리고 단조재의 피로 특성을 향상시키기 위해서는 개재물 형상을 구 형상으로 하고, 치수를 작게 하는 것이 유효한 취지로 결론지어져 있다.In addition, Non-Patent Document 2 examines the improvement of the fatigue characteristics of low-alloy steel employed in a crankshaft for ships. Specifically, in Non-Patent Document 2, (1) inclusions tend to be a starting point of fatigue failure, and the tendency becomes remarkable as the strength of steel is increased, (2) fatigue strength decreases as the inclusion size increases, (3) Steel materials including elongated inclusions are disclosed in which anisotropy of fatigue strength tends to occur. And in order to improve the fatigue characteristic of a forging material, it is concluded that it is effective to make an inclusion shape spherical and to make a dimension small.

그러나 상기 보고에는 개재물 형상을 구 형상화하고, 또한 치수를 작게 하기 위한 구체적인 수단까지 개시되어 있지 않으며, 제어할 개재물의 종류나 사이즈 등도 밝혀져 있지 않다. 따라서, 피로 특성의 향상에 유효한 개재물의 형태 제어를 구현화하기 위해서는 가일층의 검토를 필요로 한다고 생각된다.However, the above report does not disclose specific means for spherical shape of the inclusion shape and to reduce the size, and also does not disclose the kind or size of the inclusion to be controlled. Therefore, in order to implement | achieve the shape control of the inclusion effective for the improvement of a fatigue characteristic, it is thought that further examination is needed.

그런데, 강 중 개재물의 형태 제어법으로서는 지금까지 다양한 방법이 제안되어 있고, 예를 들어 특허 문헌 1에는 내라멜라티어성과 내수소 유기 균열성이 우수한 구조용 저합금강을 얻기 위한 수단으로서, 황화물과 산화물을 모두 감소시키고, 또한 개재물의 형태를 컨트롤하는 방법이 제안되어 있다. 구체적으로는, 내라멜라티어성이나 내수소 유기 균열성을 저해하는 Mn 황화물의 생성을 억제하기 위해서는 S량 및 O량을 저감하고, 또한 Ca나 Mg를 첨가하면 좋은 것이 제안되어 있다.By the way, various methods have been proposed so far as the shape control method of inclusions in steel, and for example, Patent Document 1 discloses both sulfides and oxides as means for obtaining structural low alloy steels having excellent lamellar resistance and hydrogen-hydrogen organic cracking resistance. A method of reducing and also controlling the shape of the inclusions has been proposed. Specifically, in order to suppress the formation of Mn sulfide that inhibits lamellar resistance and hydrogen organic crack resistance, it is proposed to reduce the amount of S and the amount of O and to add Ca or Mg.

또한, 특허 문헌 2에는 Mg, Ca 첨가에 의해 열간 압연에 의해 신장되기 쉬운 MnS나 클러스터 형상으로 연속되는 Al2O3계 개재물의 생성을 억제하고, 형상을 바꾸 어 미세화를 도모하는 등의 개재물의 형태 제어를 행하는 것이 개시되어 있다.In addition, Patent Literature 2 discloses inclusions such as suppressing the production of M2S or Al 2 O 3 series inclusions that are continuous in hot rolling by Mg and Ca addition, changing the shape, and minimizing the shape. It is disclosed to perform shape control.

특허 문헌 3이나 특허 문헌 4에는 산화물계 개재물을 초미세화함으로써, 기어재로서의 면 피로 강도나 치형부 굽힘 피로 강도를 높이는 것이 개시되어 있다. 구체적으로는, 산화물계 개재물로서, 응집 합체되기 어려운 MgO나 MgO·Al2O3을 생성시키는 것이 제안되어 있다. 또한, 황화물인 MnS의 일부를 (Mn·Mg)S로 하면 개재물의 연신성이 억제되어, 기계적 강도의 이방성이 저감되는 것을 밝히고 있다.Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose that increasing the surface fatigue strength and the tooth bending fatigue strength as a gear member by making the oxide inclusions ultrafine. Specifically, it has been proposed to produce MgO and MgO-Al 2 O 3 that are difficult to aggregate into oxide inclusions. Moreover, it turns out that when a part of MnS which is sulfide is set to (Mn * Mg) S, the elongation of an interference | inclusion is suppressed and the anisotropy of mechanical strength is reduced.

특허 문헌 5에는 피삭성이 우수한 기계 구조용 강을 얻기 위해, 황화물로서 MnS, CaS, MgS, (Ca, Mn)S, (Ca, Mg, Mn)S를 존재시킨 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 5는, 특히 REM, Ca 및 Mg를 함유시켜 황화물의 형태를 제어하면, 기계적 성질의 이방성이 억제되는 동시에, S 함유 쾌삭강보다도 피삭성이 높여지는 것을 밝히고 있다.Patent Document 5 discloses that MnS, CaS, MgS, (Ca, Mn) S, (Ca, Mg, Mn) S are present as sulfides in order to obtain mechanical structural steel having excellent machinability. Patent Document 5 discloses that, in particular, when REM, Ca, and Mg are contained to control the form of sulfide, the anisotropy of mechanical properties is suppressed, and the machinability is higher than that of S-containing free cutting steel.

그러나 이들 개재물의 형태 제어 기술은, 선박용 구동원의 전달 부재 등과 같은 가혹한 환경하에서 사용되는 단조품을 대상으로 하는 것이 아니다. 따라서, 단조품의 피로 특성을 높이기 위해, 단조품의 제조에 이용하는 단조용 강을 대상으로 독자적인 개재물 제어 방법을 검토하여 확립하는 것이 요구되고 있다.However, the shape control technique of these inclusions is not intended for forgings used in harsh environments such as transmission members of ship driving sources. Therefore, in order to raise the fatigue characteristic of a forging, it is calculated | required to establish and examine the original inclusion control method for the forging steel used for manufacture of a forging.

비특허 문헌 1 : 「크랭크축의 진보 개선」, 일본 선박용 기관 학회지, 1974년 10월, 제8권, 제10호, p.54-59Non-Patent Document 1: "Improvement of Crankshaft Progress", Japanese Society of Marine Engineers, October 1974, Vol. 8, No. 10, p.54-59

비특허 문헌 2 :「고강도 크랭크축재의 피로 강도 특성에 관한 연구」, Journal of the JIME, 2001년, vol.36, No.6, p.385-390[Non-Patent Document 2]: "Fatigue Strength Characteristics of High Strength Crankshaft Materials", Journal of the JIME, 2001, vol. 36, No. 6, p.385-390

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공고 공보 : 소58-35255호Patent Document 1: Japanese Patent Application Publication No. 58-35255

특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공고 공보 : 소57-59295호Patent Document 2: Japanese Patent Application Publication No. 57-59295

특허 문헌 3 : 일본 공개 특허 공보 : 평7-188853호Patent Document 3: Japanese Unexamined Patent Publication: Hei 7-188853

특허 문헌 4 : 일본 공개 특허 공보 : 평7-238342호Patent Document 4: Japanese Unexamined Patent Publication: Hei 7-238342

특허 문헌 5 : 일본 공개 특허 공보 : 제2000-87179호Patent Document 5: Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-87179

본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 우수한 피로 특성의 단조품을 얻기 위한 개재물이 미세화된 단조용 강 및 이러한 단조용 강을 제조하기 위한 유용한 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 목적은, 또한 이러한 단조용 강을 이용하여 얻어지는, 양호한 피로 특성을 발휘할 수 있는 개재물이 미세화된 단조품(특히, 일체형 크랭크축)을 제공하는 데 있다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a forging steel having a finely divided inclusion for obtaining a forging having excellent fatigue properties and a useful method for producing such forging steel. An object of the present invention is to provide a forged product (particularly, an integrated crankshaft) in which inclusions capable of exhibiting good fatigue characteristics, which are obtained by using such forged steel, are further refined.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 단조용 강이라 함은, 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm(이하, ppm은「질량ppm」을 나타냄)인 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm인 점에 요지를 갖는 것이다. 또한,「용존 Al 농도」 및「용존 Mg 농도」라 함은, 강 중에서 화합물을 형성하지 않고, 고용 원소로서 존재하고 있는 Al이나 Mg의 농도를 의미하고, 예를 들어 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 측정되는 값이다.The forging steel of the present invention, which was able to achieve the above object, has a dissolved Mg concentration in the steel of 0.04 to 5 ppm (hereinafter, ppm represents "mass ppm") and a dissolved Al concentration in the steel of 50 to The point is that it is 500 ppm. In addition, "dissolved Al concentration" and "dissolved Mg concentration" mean the density | concentration of Al and Mg which exist as a solid solution element without forming a compound in steel, For example, secondary ion mass spectrometry (SIMS) Is the value measured by

본 발명의 단조용 강에 있어서는, (a) 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 것, (b) 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛2)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 것 등의 요건을 만족하는 것이 바람직하다.In the forging steel of the present invention, the oxide-based inclusions included in (a) steel satisfy the following formulas (1) and (2), and (b) the cross-sectional area of the oxide-based inclusions included in steel. When A (μm 2 ), the average value of √A is preferably 160 μm or less.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112008087224713-PCT00001
Figure 112008087224713-PCT00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112008087224713-PCT00002
Figure 112008087224713-PCT00002

단, [MgO] 및 [Al2O3]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al2O3의 함유량(질량%)을 나타낸다.However, [MgO] and [Al 2 O 3 ] represent the content (mass%) of MgO and Al 2 O 3 in the oxide inclusions, respectively.

또한, 단조용 강이나 단조품으로서 일반적으로 우수한 강도나 인성을 확보하기 위해서는, 하기 성분 조성을 만족하는 것이 바람직하다.Moreover, in order to ensure the outstanding strength and toughness generally as forging steels and forgings, it is preferable to satisfy the following component compositions.

「C : 0.2 내지 1.0 %(이하, %는「질량%」를 나타냄), Si : 0.05 내지 0.6 %, Mn : 0.2 내지 1.5 %, Ni : 4 % 이하(0 %를 포함하지 않음), Cr : 0.5 내지 4 %, Mo : 0.1 내지 1.5 %, V : 0.005 내지 0.3 %를 각각 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것이다.」"C: 0.2 to 1.0% (hereinafter,% represents" mass% "), Si: 0.05 to 0.6%, Mn: 0.2 to 1.5%, Ni: 4% or less (not including 0%), Cr: 0.5 to 4%, Mo: 0.1 to 1.5%, V: 0.005 to 0.3%, respectively, and the remainder is made of Fe and unavoidable impurities. ''

본 발명은 상기 단조용 강을 이용하여 제조된 단조품도 포함하고, 특히 본 발명의 단조용 강을 이용하여 제조되는 일체형 크랭크축은 우수한 피로 특성을 발휘한다.The present invention also includes a forging manufactured using the forging steel, and in particular, the integrated crankshaft manufactured using the forging steel of the present invention exhibits excellent fatigue characteristics.

한편, 본 발명의 단조용 강의 제조 방법이라 함은, 단조용 강을 제조함에 있어서 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 % 이상으로 하는 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 제어하는 점에 요지를 갖는 것이다.On the other hand, the method of manufacturing the forging steel of the present invention means that the MgO concentration in the top slag in the molten steel treatment step is 5% or more, and the dissolved Al concentration in the steel is 50 to 500 ppm in manufacturing the forging steel. The point is to control Al concentration in molten steel so that it may become.

본 발명은 상기와 같이 구성되어 있고, 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 조정함으로써, 형성되는 개재물의 형태를 제어할 수 있고, 개재물이 미세화된 단조용 강을 제공할 수 있게 되었다. 이러한 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품은, 우수한 피로 특성을 기대할 수 있고, 특히 선박에서 이용되는 크랭크축 등의 대형 단조 제품으로서 매우 유용하다.The present invention is configured as described above, and by adjusting the dissolved Mg concentration and the dissolved Al concentration in the steel, it is possible to control the form of the inclusions to be formed, and to provide a forging steel having finer inclusions. The forged product obtained by using such forged steel can be expected to have excellent fatigue characteristics, and is particularly useful as a large forged product such as a crankshaft used in ships.

도1은 파면 개재물의 √A와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing the relationship between √A of the wavefront inclusions and the endurance limit ratio.

도2는 강 중의 용존 Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the relationship between the dissolved Mg concentration in the steel and the endurance limit ratio.

도3은 산화물 중의 (MgO + Al2O3) 농도 및 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the effect of the concentration of (MgO + Al 2 O 3 ) and MgO in the oxide on the endurance limit ratio.

도4는 강 중의 용존 Al 농도가 용존 Mg 농도에 미치는 영향을, 슬러그 중 MgO 농도와의 관계로 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the effect of the dissolved Al concentration in the steel on the dissolved Mg concentration in relation to the MgO concentration in the slug.

도5는 강 중의 용존 Al 농도 및 탑 슬래그 중의 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the effect of dissolved Al concentration in steel and MgO concentration in top slag on the endurance limit ratio.

도6은 강 중의 Total Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the relationship between the total Mg concentration in the steel and the endurance limit ratio.

본 발명자들은, 전술한 바와 같은 상황하, 가혹한 환경하에서 사용되는 단조품의 피로 특성을 높이는 것을 최종 목표로, 다양한 각도로부터 검토하였다. 특히, 응고 온도가 느린 대형 강괴(예를 들어, 20톤 이상)에서는, 목표로 해야 할 피로 강도가 얻어지기 어려워, 지금까지와는 다른 관점에서의 검토를 진행하였다.The present inventors studied from various angles with the final goal of improving the fatigue characteristics of the forged product used in the harsh environment under the above circumstances. In particular, in large ingots (e.g., 20 tons or more) having a low solidification temperature, a target fatigue strength is hard to be obtained, and studies have been conducted from a different viewpoint.

그 결과, 피로 강도의 저하를 초래하는 원인은 MgS를 주성분으로 하는 조대 개재물이며, 이 조대 개재물의 생성에는 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도가 크게 관여하고 있고, 이 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 소정의 범위로 제어하면 상기 조대 개재물의 생성이 억제될 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.As a result, the cause of the decrease in fatigue strength is a coarse inclusion having MgS as a main component, and the dissolved Mg concentration and dissolved Al concentration in steel are largely involved in the generation of this coarse inclusion. The present invention has been found to be able to suppress the formation of the coarse inclusions by controlling to within a predetermined range, thereby completing the present invention.

또한, 본 발명자들이 소형 강괴(20 ㎏) 및 대형 강괴(2톤)에 대해 검토한 바, 강괴의 크기에 상관없이 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도가 산화물 조성에 관여하고 있는 것이 판명되었다. 또한, 이들 농도를 적절한 범위로 제어하면, Al2O3이나 CaO·Al2O3 등의 조대화되기 쉬운 개재물의 생성이 억제되고, 응집되기 어려운 MgO 함유 산화물로 조성 제어할 수 있는 것도 판명되었다.In addition, the present inventors examined the small ingot (20 kg) and the large ingot (2 tons), and it was found that the dissolved Mg concentration and the dissolved Al concentration in the steel were involved in the oxide composition regardless of the size of the ingot. In addition, by controlling these concentrations in an appropriate range, it has been found that formation of coarse inclusions such as Al 2 O 3 and CaO · Al 2 O 3 can be suppressed, and composition control can be performed with MgO-containing oxides which are difficult to aggregate. .

강 중의 용존 Mg 농도를 적절한 범위로 제어하기 위해서는, 용강 처리 공정에 있어서 탑 슬래그 중의 MgO 농도 및 용강 중의 Al 농도를 적절하게 조정하면 되는 것도 알 수 있었다.In order to control the dissolved Mg concentration in steel to an appropriate range, it turned out that what is necessary is just to adjust MgO concentration in top slag and Al concentration in molten steel suitably in a molten steel treatment process.

본 발명의 제조 방법에 있어서는, 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도 및 용강 중의 Al 농도를 적절하게 조정하는 것을 요지로 하는 것이지만, 이 용강 처리 공정의 기본적인 순서를 설명하면서 본 발명의 작용 효과에 대해 설명한다.In the production method of the present invention, it is essential to properly adjust the MgO concentration in the top slag and the Al concentration in the molten steel in the molten steel treatment step, but the effect of the present invention is explained while explaining the basic procedure of the molten steel treatment step. Explain about.

용강 처리함에 있어서는, 우선 원료를 전기로 내에 장입하여 가열 용융한 후, 산소 랜스로부터 산소를 취입하는 산소 취련에 의해 탈탄·탈인 처리를 행한다. 산소 취련의 종료 후, 용강을 레이들로 옮기고, LF(Ladle Furnace) 등의 용강 처리 장치를 이용하여 용강 처리를 행한다. 이때, 용강 처리에 앞서, CaO, MgO, Al2O3 등의 슬래그 원료(조재제)를 소정의 혼합비로 용강 표면에 첨가하여 용융시키고, 용강 표면에 슬래그(탑 슬래그)를 형성시킨다.In the molten steel treatment, first, a raw material is charged into an electric furnace and heated and melted, followed by decarburization and dephosphorization by oxygen blowing to blow oxygen from an oxygen lance. After the completion of the oxygen blow, the molten steel is moved to the ladle, and molten steel treatment is performed using a molten steel treatment apparatus such as LF (Ladle Furnace). At this time, prior to the molten steel treatment, slag raw materials such as CaO, MgO, Al 2 O 3 and the like are added to the molten steel surface at a predetermined mixing ratio and melted to form slag (top slag) on the molten steel surface.

이러한 용강 처리에 있어서는, 저취(底吹) 가스 교반 등의 수단에 의해 용강을 교반하면서 온도나 주성분을 조정하는 동시에, 탈산제를 용강에 첨가하여 탈산, 탈황 등의 처리를 행한다. 또한, 필요에 따라서 덮개 탈가스 장치, 탱크 탈가스 장치, 순환 탈가스 장치(RH 장치 등)를 이용하여 진공 탈가스 처리를 실시하고, 용강으로부터의 탈수소, 탈황을 촉진시킨다. 용강이 소정의 성분, 온도, 청정도로 된 단계에서 용강 처리 공정을 완료하고, 상주(上注)나 하주(下注) 등의 조괴 방법에 의해 강괴를 주조한다.In such molten steel treatment, while stirring molten steel by means, such as low odor gas stirring, temperature and a main component are adjusted, deoxidizer is added to molten steel, and deoxidation, desulfurization, etc. are performed. Moreover, if necessary, a vacuum degassing treatment is performed using a cover degassing apparatus, a tank degassing apparatus, and a circulating degassing apparatus (RH apparatus, etc.) to promote dehydrogenation and desulfurization from molten steel. The molten steel treatment process is completed at the stage where molten steel becomes a predetermined component, temperature, and cleanliness, and a steel ingot is cast by the coarsening method, such as a permanent column and a lower column.

상기 조괴 공정에 의해 얻어진 강괴는, 그 후 열간 단조에 의해 둥근 막대 등의 중간 제품의 형상으로 성형된다. 성형 후, 성분이나 결함, 청정도 등에 대해 중간 검사를 거친 후, 다시 열간 단조를 행함으로써 일체형 크랭크축이나 저널 등의 대형 제품 형상으로 성형된다. 계속해서, 요구되는 제품 특성에 따른 열처리를 실시한 후, 기계 가공에 의한 마무리를 하여 최종 제품이 된다.The steel ingot obtained by the said ingot process is shape | molded in the shape of intermediate products, such as a round rod, by hot forging after that. After molding, the components, defects, cleanliness, etc. are subjected to an intermediate inspection, and then hot forged again to form a large product shape such as an integrated crankshaft or journal. Subsequently, after performing heat treatment according to the required product characteristics, it is finished by machining to become a final product.

상기 강괴로부터, 일체형 크랭크축을 제조하기 위한 구체적 순서로서는 다음과 같은 공정을 들 수 있다. 즉, 응고가 완료된 강괴를 주형으로부터 취출하고, 1150 ℃ 이상으로 가열한다. 그 후, 단련비 3 이상의 열간 단조에 의해 둥근 막대 형상 혹은 단차 형상으로 가공한다. 이 강괴 단조에 있어서는 내재 결함 압축을 위해, 강괴 높이 방향으로 압축한 후에 소정 길이까지 단신(鍛伸)해도 좋다. 열간 단조의 후, 일체형 크랭크축의 형상으로 가공한다. 또한, 일체형 크랭크축의 성형 단조에 있어서는, 슬로우부를 1개씩 성형해도 좋고, 전체를 형 삽입함으로써 복수의 슬로우부를 동시에 성형해도 좋다. 성형 단조 후에는, 마무리용 기계 가공을 실시하여 소정 치수의 일체형 크랭크축으로 한다. 또한, 열간 단조에 의해 단차 형상으로 가공한 것을 기계 가공함으로써 일체형 크랭크축으로 해도 좋다.The following process can be mentioned as a specific procedure for manufacturing an integrated crankshaft from the said steel ingot. That is, the solidified steel ingot is taken out from a mold and heated to 1150 degreeC or more. Thereafter, the steel sheet is processed into a round bar shape or a stepped shape by hot forging with a forging ratio of 3 or more. In this ingot forging, in order to compress an intrinsic defect, you may shorten to predetermined length after compressing in a ingot height direction. After hot forging, it is processed into the shape of an integrated crankshaft. In addition, in the forging of the integrated crankshaft, the slow parts may be molded one by one or a plurality of slow parts may be simultaneously molded by inserting the whole. After forming forging, machining for finishing is performed to obtain an integrated crankshaft having a predetermined dimension. Moreover, it is good also as an integral crankshaft by machining what was processed to step shape by hot forging.

본 발명 방법에서는, 상술한 대형 단조품의 제조 공정 중, 특히 용강 처리 공정에 있어서의 제조 조건을 적절하게 제어하는 것이며, 탑 슬래그 조성 및 탈산제로서 첨가하는 Al의 농도를 적정한 범위로 유지함으로써 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 제어하는 것이다. 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 적정한 범위로 제어함으로써, 용강 처리 중 및 주조 중에 생성되는 산화물이 미세 분산되기 쉬운 조성으로 제어되고, 최종적으로 열간 단조 후의 제품 중의 개재물이 미세해져 제품의 피로 강도가 대폭 향상되게 된다. 이하, 본 발명에서 규정한 각 요건에 대해 설명한다.In the method of the present invention, the manufacturing conditions of the above-mentioned large forged product, particularly in the molten steel treatment step, are controlled appropriately, and dissolved in steel by maintaining the top slag composition and the concentration of Al added as a deoxidizer in an appropriate range. It is to control the Mg concentration and the dissolved Al concentration. By controlling the dissolved Mg concentration and the dissolved Al concentration in an appropriate range, the oxides produced during the molten steel processing and casting are controlled to be easily dispersed, and the inclusions in the product after hot forging are finely made, resulting in a significant fatigue strength of the product. Will be improved. Hereinafter, each requirement prescribed | regulated by this invention is demonstrated.

본 발명 방법에 있어서는, 상기 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 % 이상으로 하고, 또한 강 중의 용존 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 조정하는 것이다. 이러한 요건을 만족시킴으로써 용강에 Mg 함유 합금을 직접 첨가하지 않아도, 강 중의 용존 Mg 농도를 0.04 내지 5 ppm으로 제어할 수 있다(후기하는 도4, 도5 참조). 또한, 탑 슬래그는 통상 CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaF2를 주성분으로 하는 것이지만, 상기 MgO 농도는 이들 전체에 대한 비율이다.In the method of the present invention, the MgO concentration in the top slag in the molten steel treatment step is 5% or more, and the Al concentration in the molten steel is adjusted so that the dissolved concentration in the steel is 50 to 500 ppm. By satisfying these requirements, the dissolved Mg concentration in the steel can be controlled to 0.04 to 5 ppm without directly adding Mg-containing alloys to molten steel (see FIGS. 4 and 5 to be described later). The top slag is usually composed of CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -MgO-CaF 2 , but the MgO concentration is a ratio with respect to all of them.

용강에 Mg 합금을 직접 첨가하면, 단시간이면서 국소적으로 Mg 농도가 높은 영역이 용강 레이들 중에 형성되어 MgS 등의 조대한 황화물이 생성되는 경우가 있다. 이 조대한 황화물이 다른 개재물과 함께 응집되어, 제품 중에 잔류하면 단조품의 피로 특성을 현저하게 저하시킬 우려가 있다.When Mg alloy is directly added to molten steel, a region having a high Mg concentration for a short time and locally may be formed in the molten steel ladle to produce coarse sulfides such as MgS. When this coarse sulfide aggregates with other inclusions and remains in a product, there exists a possibility that the fatigue characteristic of a forged product may remarkably fall.

강 중의 용존 Al 농도가 50 ppm 미만으로 되면 용존 산소량이 상승하고, 응고 중에 정출(晶出)되는 산화물 개수가 증가하여 청정도가 악화되게 된다. 또한, 용존 농도가 500 ppm을 초과하면 용존 산소 농도가 저하되는 동시에, 강 중의 용존 Mg 농도가 증가하여 5 ppm을 초과하게 된다(후술함).When the dissolved Al concentration in the steel is less than 50 ppm, the dissolved oxygen amount increases, the number of oxides crystallized out during solidification increases, and the cleanliness deteriorates. When the dissolved concentration exceeds 500 ppm, the dissolved oxygen concentration decreases, and the dissolved Mg concentration in the steel increases to exceed 5 ppm (to be described later).

강 중의 용존 Al 농도를 상기한 범위로 제어하기 위해서는, 용강 중의 Al 농도를 분석하는 동시에 용강 중의 Al 농도와 강 중의 Al 농도의 관계를 파악해 두고, 이들을 기초로 하여 최종적인 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm의 범위로 되도록(그 농도에 따른 용강 중 Al 농도로 되도록) Al 이나 Al 합금을 용강 중에 첨가하면 좋다.In order to control the dissolved Al concentration in the steel in the above-described range, the Al concentration in the molten steel is analyzed and the relationship between the Al concentration in the molten steel and the Al concentration in the steel is determined, and based on these, the final dissolved Al concentration in the steel is 50. Al or an Al alloy may be added in the molten steel so as to be in the range of from 500 ppm (to the Al concentration in the molten steel according to the concentration).

상기 방법에 의해 얻어진 단조용 강은, 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm의 범위인 것으로 되어, 강 중에 존재하는 탈산 생성물의 대부분이 스피넬 등의 MgO 함유 산화물이 되어 강의 피로 강도가 현저하게 향상되게 된다(후기하는 도2, 도4 참조). 즉, 단조용 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 ppm 미만으로 되면, 개재물 조성이 Al2O3-rich로 되어 응집 합체 현상이 발생하게 된다. 또한, 용존 Mg 농도가 5 ppm을 초과하면, MgS나 MgO 등이 응고 중에 다량으로 생성되어 버려 조대한 개재물로 되어 청정도를 저하시키게 된다.In the forging steel obtained by the above method, the dissolved Mg concentration in the steel is in the range of 0.04 to 5 ppm, and most of the deoxidation products present in the steel become MgO-containing oxides such as spinel, which significantly improves the fatigue strength of the steel. (See FIG. 2 and FIG. 4 to be described later). That is, when the dissolved Mg concentration in the forging steel is less than 0.04 ppm, the inclusion composition becomes Al 2 O 3 -rich, which causes agglomeration phenomenon. In addition, when the dissolved Mg concentration exceeds 5 ppm, MgS, MgO, and the like are generated in a large amount during solidification, resulting in coarse inclusions, thereby degrading cleanliness.

상기한 바와 같이 강 중의 용존 Mg 농도를 적절한 범위로 함으로써, 후술하는 내구 한도비[피로 강도(σW)/인장 강도(σB)]로 0.42 이상의 우수한 피로 특성이 발휘되게 된다. 이 용존 Mg 농도의 바람직한 범위는, 0.1 내지 2 ppm 정도이며, 이 범위로 제어함으로써 더욱 우수한 피로 특성(상기 내구 한도비로 0.44 이상)이 발휘되게 된다.As described above, by setting the dissolved Mg concentration in the steel to an appropriate range, excellent fatigue characteristics of 0.42 or more are exhibited in the endurance limit ratio (fatigue strength (σ W ) / tensile strength (σ B )) described later. The preferable range of this dissolved Mg concentration is about 0.1 to 2 ppm, and by controlling in this range, more excellent fatigue characteristics (0.44 or more in the endurance limit ratio) are exhibited.

그런데, 강 중의 Al 농도나 Mg 농도에 대해서는 습식 분석법이 일반적으로 채용되지만, 습식 분석법으로는 산화물이나 황화물의 용해를 완전히 피할 수 없어, 강 중에 원자로서 용해되어 있는 Al이나 Mg의 농도를 정확하게 정량하는 것은 곤란하다. 또한, 산화물 중의 Al을 제외한 농도로서 가용성 Al(sol.Al)을 사용하는 방법도 있지만, CaO-Al2O3계 산화물로부터의 Al 용출을 무시할 수 없어, 소위「sol.Al」도 결코 정확한 용존 Al 농도라고는 할 수 없는 것이다. 그래서 본 발명에서는, 개재물 제어를 위해서는 용존 원소와 산화물의 열역학 평형이 매우 중요하다는 관점에서, 용존 원소(「용존 Al 농도」및「용존 Mg 농도」)의 정확한 측정 방법으로 서 SIMS를 채용하였다.By the way, a wet analysis method is generally employed for the Al concentration and the Mg concentration in the steel, but the wet analysis cannot completely dissolve the oxides or sulfides, and accurately quantifies the concentration of Al and Mg dissolved as atoms in the steel. It is difficult. In addition, there is also a method of using soluble Al (sol. Al) as the concentration except Al in the oxide, but Al elution from CaO-Al 2 O 3 -based oxides cannot be ignored, so-called "sol.Al" is never accurately dissolved. It cannot be said that it is Al concentration. Therefore, in the present invention, SIMS is employed as an accurate measurement method of dissolved elements ("dissolved Al concentration" and "dissolved Mg concentration") from the viewpoint that the thermodynamic equilibrium of dissolved elements and oxides is very important for inclusion control.

본 발명의 단조용 강에 있어서는, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 것이 바람직하다(후기하는 도3 참조).In the forging steel of the present invention, it is preferable that the average composition of the oxide inclusions included in the steel satisfy the following formulas (1) and (2).

Figure 112008087224713-PCT00003
Figure 112008087224713-PCT00003

Figure 112008087224713-PCT00004
Figure 112008087224713-PCT00004

단, [MgO] 및 [Al2O3]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al2O3의 함유량(질량%)을 나타낸다.However, [MgO] and [Al 2 O 3 ] represent the content (mass%) of MgO and Al 2 O 3 in the oxide inclusions, respectively.

상기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 산화물계 개재물 조성으로 함으로써, 개재물이 스피넬 혹은 MgO 등의 MgO 함유 산화물로 된다. 이러한 MgO 함유 산화물은 Al2O3에 비해 용강과의 젖음성이 양호하기 때문에, 개재물의 응집 합체 현상의 발생이 억제되어 강의 피로 특성을 열화시키는 조대 개재물의 형성을 방지할 수 있게 된다.By setting the oxide-based inclusion composition that satisfies the above formulas (1) and (2), the inclusions are made of MgO-containing oxides such as spinel or MgO. Since MgO-containing oxides have better wettability with molten steel than Al 2 O 3 , the occurrence of cohesive phenomenon of inclusions can be suppressed, and formation of coarse inclusions deteriorating fatigue characteristics of steel can be prevented.

또한 본 발명의 단조용 강에 있어서는, 강재 중에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛2)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 것이 바람직하다(후기하는 도1 참조). 이러한 요건을 만족시키면, 강의 파괴 기점이 되는 개재물 사이즈가 작아져, 최종 제품(단조품)에 있어서의 피로 강도나 인성이 향상되게 된다. 이에 대해, 조대 황화물이나 조대 산화물의 존재는 피로 특성의 향상에는 바람직하지 않은 것이다(후기하는 도2 참조).In the forging steel of the present invention, when the cross-sectional area of the oxide inclusions contained in the steel is A (μm 2 ), the average value of √A is preferably 160 μm or less (see FIG. 1 to be described later). When these requirements are satisfied, the inclusion size serving as the starting point for breaking the steel becomes small, and the fatigue strength and toughness in the final product (forged product) are improved. On the other hand, the presence of coarse sulfides and coarse oxides is undesirable for improvement of fatigue properties (see FIG. 2 to be described later).

본 발명은 이와 같이 개재물의 미세화를 도모하기 위해, 용강 중의 용존 성분을 조정한 점에 특징을 갖고 있고, 단조용 강의 기본 조성은 특별히 제한되지 않는다. 그러나 예를 들어 크랭크축 등으로서 요구되는 강도나 인성, 또한 본 발명에서 최종 목표로 하는 피로 특성 향상을 확실한 것으로 하기 위해서는 강재가 하기 기본 조성을 만족하는 것이 바람직하다.The present invention is characterized in that the dissolved components in molten steel are adjusted in order to refine the inclusions in this way, and the basic composition of the forging steel is not particularly limited. However, in order to ensure the strength and toughness required as a crankshaft, etc., and the fatigue characteristic improvement aimed at the end of this invention, for example, it is preferable that steel materials satisfy | fill the following basic composition.

[C : 0.2 내지 1.0 %][C: 0.2% to 1.0%]

C는 강도 향상에 기여하는 원소이며, 충분한 강도를 확보하기 위해서는 0.2 % 이상, 보다 바람직하게는 0.3 % 이상, 더욱 바람직하게는 0.36 % 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 C량이 지나치게 많으면 인성을 열화시키므로, 1.0 % 이하, 보다 바람직하게는 0.5 % 이하, 더욱 바람직하게는 0.45 % 이하로 억제한다.C is an element which contributes to strength improvement, and in order to ensure sufficient strength, it is preferable to contain C at least 0.2%, more preferably at least 0.3%, even more preferably at least 0.36%. However, if the amount of C is too large, the toughness is deteriorated, so it is 1.0% or less, more preferably 0.5% or less, and still more preferably 0.45% or less.

[Si : 0.05 내지 0.6 %][Si: 0.05 to 0.6%]

Si는 강도 향상 원소로서 작용하고, 충분한 강도를 확보하기 위해서는 0.05 % 이상, 보다 바람직하게는 0.1 % 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 % 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Si량이 지나치게 많으면 역 V편석이 현저해져 청정한 강괴가 얻어지기 어려워지므로, 0.6 % 이하, 보다 바람직하게는 0.4 % 이하로 억제하는 것이 좋다.Si acts as a strength improving element, and in order to ensure sufficient strength, it is preferable to contain Si at least 0.05%, more preferably at least 0.1%, even more preferably at least 0.2%. However, when there is too much Si amount, reverse V segregation becomes remarkable and a clean ingot becomes difficult to be obtained, It is good to suppress to 0.6% or less, More preferably, 0.4% or less.

[Mn : 0.2 내지 1.5 %][Mn: 0.2 to 1.5%]

Mn도 켄칭성을 높이는 동시에 강도 향상에 기여하는 원소이며, 충분한 강도와 켄칭성을 확보하기 위해서는 0.2 % 이상, 보다 바람직하게는 0.4 % 이상, 더욱 바람직하게는 0.9 % 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나 Mn량이 지나치게 많으면 역 V편석을 조장하므로, 1.5 % 이하, 보다 바람직하게는 1.2 % 이하, 더욱 바람직하게는 1.1 % 이하로 억제하는 것이 좋다.Mn is also an element that increases the hardenability and contributes to the strength improvement, and in order to secure sufficient strength and hardenability, it is preferable to contain 0.2% or more, more preferably 0.4% or more, and still more preferably 0.9% or more. However, if the amount of Mn is too large, reverse V segregation is encouraged, so it is preferable to suppress the content to 1.5% or less, more preferably 1.2% or less, and still more preferably 1.1% or less.

[Ni : 4 % 이하(0 %를 포함하지 않음)][Ni: 4% or less (does not include 0%)]

Ni는 인성 향상 원소로서 유용한 원소이지만, Ni량이 과잉으로 되면 비용 상승이 되므로 4 % 이하, 바람직하게는 2 % 이하로 억제하는 것이 좋다.Ni is an element useful as a toughness improving element, but if the amount of Ni is excessive, the cost increases, and therefore it is preferable to suppress it to 4% or less, preferably 2% or less.

[Cr : 0.5 내지 4 %][Cr: 0.5 to 4%]

Cr은 켄칭성을 높이는 동시에 인성을 향상시키는 유효한 원소이며, 그들의 작용은 0.5 % 이상, 바람직하게는 0.9 % 이상, 더욱 바람직하게는 1.5 % 이상 함유시킴으로써 유효하게 발휘된다. 그러나 Cr량이 지나치게 많으면 역 V편석을 조장하여 고청정 강의 제조를 곤란하게 하므로, 4 % 이하, 보다 바람직하게는 2.5 % 이하로 억제하는 것이 좋다.Cr is an effective element which improves hardenability and improves toughness, and their effect is effectively exhibited by containing 0.5% or more, preferably 0.9% or more, and more preferably 1.5% or more. However, if the amount of Cr is excessively large, inverse V segregation is encouraged to make the production of high-clean steel difficult, and therefore it is preferable to suppress it to 4% or less, more preferably 2.5% or less.

[Mo : 0.1 내지 1.5 %][Mo: 0.1 to 1.5%]

Mo는 켄칭성, 강도, 인성의 모든 향상에 유효하게 작용하는 원소이며, 그들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.1 % 이상, 보다 바람직하게는 0.15 % 이상, 더욱 바람직하게는 0.20 % 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 Mo는 평형 분배 계수가 작아 미크로 편석(정상 편석)을 발생하기 쉽게 하기 때문에, 1.5 % 이하로 억제하는 것이 좋다.Mo is an element which acts effectively for all the improvement of hardenability, strength, and toughness, and in order to exhibit these effects effectively, it is preferable to contain Mo 0.1% or more, More preferably, it is 0.15% or more, More preferably, it is 0.20% or more. Do. However, since Mo is easy to generate micro segregation (normal segregation) because the equilibrium distribution coefficient is small, it is preferable to suppress it to 1.5% or less.

[V : 0.005 내지 0.3 %][V: 0.005 to 0.3%]

V는 석출 강화 및 조직 미세화 효과가 있고, 고강도화에 유용한 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, V를 0.005 % 이상 함유시키는 것이 권장된다. 단, 과잉으로 함유시켜도 상기 효과는 포화되어 버려 경제적으로 낭비이므로, 0.3 % 이하, 보다 바람직하게는 0.15 % 이하로 억제하는 것이 좋다.V has an effect of strengthening precipitation and microstructure, and is a useful element for high strength. In order to exhibit such an effect effectively, it is recommended to contain V 0.005% or more. However, even if it contains excessively, since the said effect is saturated and it is economically wasteful, it is good to suppress it to 0.3% or less, More preferably, it is 0.15% or less.

본 발명에서 사용되는 단조용 강의 바람직한 기본 성분은 상기와 같다. 잔량부는 실질적으로 Fe이지만, 상기 단조용 강 중에는 미량의 불가피 불순물의 함유가 허용되는 것은 물론, 상기 본 발명의 작용에 악영향을 미치지 않는 범위에서 또한 다른 원소를 적극적으로 함유시킨 단조용 강을 사용하는 것도 가능하다. 적극 첨가가 허용되는 다른 원소의 예로서는, 켄칭성 개선 효과를 갖는 B, 탈산 효과를 갖는 Ti, 고용 강화 원소 또는 석출 강화 원소인 W, Nb, Ta, Cu, Ce, La, Zr, Te 등을 들 수 있다. 그들은 단독으로 혹은 2종 이상을 복합 첨가할 수 있지만, 합계량으로 0.1 % 정도 이하로 억제하는 것이 바람직하다.Preferred basic components of the forging steel used in the present invention are as described above. Although the remainder is substantially Fe, the forging steel is allowed to contain a small amount of unavoidable impurities, and of course, it is possible to use forging steel which actively contains other elements within a range that does not adversely affect the operation of the present invention. It is also possible. Examples of other elements that can be positively added include B having a hardenability improving effect, Ti having a deoxidation effect, W, Nb, Ta, Cu, Ce, La, Zr, Te and the like which are solid solution strengthening elements or precipitation strengthening elements. Can be. Although they can add individually or in combination of 2 or more types, it is preferable to suppress to about 0.1% or less in total amount.

또한 본 발명은, 상기 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품도 포함하는 것이지만, 그 제조 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전기로 등에서 소정 성분 조성의 강을 용제하는 공정 → 진공 정련 등에 의해 S 등의 불순 원소나 O 등의 가스 성분을 제거하는 공정 → 조괴하는 공정 → 강괴를 가열하고 나서 소재 단조를 행하는 공정 → 중간 검사 후 가열하여 제품 형상으로 단조하는 공정 → 열처리에 의해 균질화하는 동시에 켄칭 처리하여 경질화하는 공정 → 마무리 기계 가공을 행하는 공정을 차례로 실시하면 좋다.Moreover, although this invention also includes the forging obtained by using the said forging steel, the manufacturing method is not specifically limited. For example, a step of melting steel of a predetermined component composition in an electric furnace or the like → a step of removing impurity elements such as S or a gas component such as O by vacuum refining or the like → a step of ingoting → forging a material after heating the ingot The step of heating → forging into the shape of the product after the intermediate inspection → homogenizing by heat treatment, hardening by hardening, and then finishing machining may be performed in sequence.

특히, 단조품으로서 크랭크축을 제조하는 경우, 일체형 크랭크축으로서 제조하면 샤프트 표층측을 청정도가 높은 부분에서 차지하게 할 수 있어, 강도나 피로 특성이 우수한 것이 얻어지므로 바람직하다. 이 경우, 일체형 크랭크축의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 바람직한 것은 R.R. 및 T.R. 단조법(강괴의 축심이 크랭크축의 축의 중심부가 되도록 단조 가공하고, 중심 편석에 의해 특성의 열화를 일으키기 쉬운 부분을 크랭크축의 모든 축의 중심부가 되도록 일체로 단조 가공하는 방법)과 같은 방법으로 제조하는 것이다.In particular, when manufacturing a crankshaft as a forging product, when manufacturing as an integrated crankshaft, since the shaft surface layer side can be occupied in the part with high cleanliness, what is excellent in strength and fatigue characteristics is preferable. In this case, although the manufacturing method of an integrated crankshaft is not specifically limited, A preferable thing is R.R. And T.R. It is manufactured by the same method as the forging method (method of forging the shaft center of the ingot to become the center of the crankshaft axis and integrally forging the part that is likely to cause deterioration of characteristics due to segregation to the center of all the shafts of the crankshaft). .

또한, 그 밖의 단조 가공법으로서 자유 단조법(크랭크 아암과 크랭크핀을 일체로 한 블록으로서 단조하고, 가스 절단 및 기계 가공에 의해 크랭크축 형상으로 마무리하는 방법) 등으로 제조해도 좋다.As another forging method, it may be produced by a free forging method (a method of forging a block in which the crank arm and the crank pin are integrated and finishing the crankshaft by gas cutting and machining).

또한, 본 발명의 단조용 강은 개재물을 극미세화함으로써 우수한 피로 특성을 발휘하므로, 크랭크축 이외에도 선박용의 중간축, 추진축, 조립형 크랭크축의 슬로우, 압력 용기, 중공 소재 등의 고강도 제품 등을 단조 성형하기 위한 소재로서도 유효하게 활용할 수 있다.In addition, since the forging steel of the present invention exhibits excellent fatigue characteristics by minimizing inclusions, forging molding of high strength products such as slow, pressure vessels, hollow materials, etc. It can also be utilized effectively as a material for doing so.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전기·후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당하게 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not restrict | limited by the following example of course, It is also possible to change suitably and to implement in the range suited for the purpose of the following, They are all included in the technical scope of the present invention.

전기로 내에서 20 내지 100톤(ton)의 스크럽 원료를 용해하여 레이들에 출 강(出鋼)하였다. 그 후, CaO, Al2O3 및 MgO 등의 조재제를 용강 표면에 첨가하고, 소정의 조성의 탑 슬래그를 형성시켰다. 그 후, 저취 교반 장치를 구비한 레이들 가열식 정련 장치를 이용하여 용강 처리를 행하였다. 이 용강 처리 공정에서는, Al을 첨가하여 용강을 탈산하고, 또한 덮개 탈가스 장치에 의한 진공 처리에 의해 탈수소를 행하였다. 용강 처리 중에는 적절하게 용강을 샘플링하여 용강 중의 Al 농도를 측정하고, 이 Al 농도가 소정의 범위로 되도록 필요에 따라서 Al을 추가 첨가하였다.20 to 100 tons of scrub material were melted in an electric furnace and cast out on the ladle. After that, crude agents such as CaO, Al 2 O 3 and MgO were added to the molten steel surface to form top slag having a predetermined composition. Then, the molten steel process was performed using the ladle heating type refinery apparatus provided with the low odor stirring apparatus. In this molten steel treatment step, Al was added to deoxidize the molten steel, and dehydrogenation was performed by vacuum treatment by a cover degassing apparatus. During the molten steel treatment, the molten steel was appropriately sampled to measure the Al concentration in the molten steel, and Al was further added as necessary so that the Al concentration was in a predetermined range.

이때, 예비 실험에 의해 2차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 분석한 강재 중의 용존 Al 농도와, 발광 분석 장치로 신속 분석한 용강 중의 Al 농도의 대응을 미리 파악해 두고, 강재 중의 용존 Al 농도가 소정의 범위로 되도록 용강 중의 상기 농도를 제어하였다.At this time, the correspondence between the dissolved Al concentration in the steel analyzed by the secondary ion mass spectrometry (SIMS) by the preliminary experiment and the Al concentration in the molten steel analyzed by the luminescence analyzer in advance is known in advance, and the dissolved Al concentration in the steel is determined. The concentration in the molten steel was controlled to fall within the range.

용강 처리가 완료된 후, 탑 슬래그의 샘플을 채취하는 동시에, 하주 조괴법에 의해 강괴(20ton, 50ton)를 주조하였다. 강괴의 응고가 완료된 후, 주형 내로부터 강괴를 발출하고, 1150 ℃ 이상으로 가열하여 열간 단조를 실시하고, 각종 크기의 둥근 막대 형상 단조품을 제조하였다. 이때, 20톤 강괴에 대해서는 열간 단조를 실시하여 직경 400 내지 500 ㎜의 둥근 막대 형상으로 마무리하고, 50톤 강괴에 대해서는 열간 단조를 실시하여 직경 500 내지 600 ㎜의 둥근 막대 형상으로 마무리하였다.After the molten steel treatment was completed, a sample of the top slag was taken, and the steel ingots (20 to 50 tons) were cast by the ingot casting method. After the solidification of the ingot was completed, the ingot was taken out from the mold, heated to 1150 ° C or higher, and hot forged to produce a round rod-shaped forged product of various sizes. At this time, hot forging was performed on the 20 ton ingot and finished in a round rod shape having a diameter of 400 to 500 mm, and hot forging was performed on the 50 ton ingot and finished in a round rod shape having a diameter of 500 to 600 mm.

각 단조재에 있어서의 화학 성분 조성을 화학 분석에 의해 조사하는 동시에, 탑 슬래그의 샘플로부터 ICP 발광 분광 분석에 의해 MgO 농도를 조사하였다. 이들의 결과를, 용강 중의 Al 농도와 함께 하기 표1에 나타낸다.The chemical composition of each forging was investigated by chemical analysis, and the MgO concentration was examined by ICP emission spectroscopy from the sample of the top slag. These results are shown in Table 1 together with the Al concentration in the molten steel.

Figure 112008087224713-PCT00005
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강괴 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 측정하는 동시에, 단조품 중의 개재물 조성 분석, 피로 시험 및 개재물 사이즈 측정을 하기의 방법으로 행하였다. 이때, ICP-질량 분석법(ICP-MS법)에 의해 강 중의 전체 Mg 농도(Total Mg 농도)에 대해서도 조사하였다.The dissolved Mg concentration and dissolved Al concentration in the steel ingot were measured, and the inclusion composition analysis, the fatigue test, and the inclusion size measurement in the forged product were performed by the following method. At this time, the total Mg concentration (Total Mg concentration) in steel was also investigated by ICP-mass spectrometry (ICP-MS method).

[강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도 측정][Measurement of dissolved Mg concentration and dissolved Al concentration in steel]

강괴로부터 채취한 샘플을 연마하고, 2차 이온 질량 분석 장치(「ims5f」CAMECA사제)에 장전하고, 각 샘플에 대해 500 × 500(㎛2)의 영역에서 Mg, Al의 2차 이온 이미지를 관찰하고, 그 영역 내에서 Mg, Al이 농화되어 있지 않은 장소를 3군데 선택하여 깊이 방향으로 분석을 행하였다. 이때의 1차 이온원은 O2+이다. 그리고 깊이 방향의 농도 분포가 일정한 경우에는, 그 값을 용존 농도로 하였다. 깊이 방향 분석의 과정에서 개재물이 존재하는 경우에는 농도 분포가 크게 변동되지만, 개재물이 존재하지 않는 깊이까지 분석을 진행하여 농도 분포가 일정해진 단계에서, 그 값을 용존 농도로 하였다. 또한, 농도의 정량 방법에 대해서는 표준 시료로서 24Mg(150 keV, 1 × 1014 atoms/㎠), 27Al(200 keV, 1 × 1014 atoms/㎠)을 이온 주입한 순철을 측정하고, 얻어진 상대 감도 계수(RSF)를 이용하여 원자 농도를 측정하였다.The sample taken from the ingot was polished, loaded into a secondary ion mass spectrometer (manufactured by "ims5f" CAMECA), and the secondary ion images of Mg and Al were observed in the region of 500 x 500 (µm 2 ) for each sample. Then, three places where Mg and Al were not concentrated in the area were selected and analyzed in the depth direction. The primary ion source at this time is O 2+ . And when the density | concentration distribution of the depth direction is constant, the value was made into the dissolved concentration. In the case of inclusion in the course of the depth direction analysis, the concentration distribution is greatly changed. However, the analysis was carried out to the depth at which the inclusion does not exist and the concentration was constant. In addition, about the quantification method of density | concentration, the pure iron which ion-implanted 24 Mg (150 keV, 1 * 10 <14> atoms / cm <2>) and 27 Al (200 keV, 1 * 10 <14> atoms / cm <2>) as a standard sample was measured, and obtained Atomic concentrations were measured using relative sensitivity coefficients (RSF).

[개재물 조성 분석]Inclusion Composition Analysis

단조 후의 둥근 막대에 있어서, 강괴 저부 상당 위치의 중심부로부터 샘플을 잘라내고, EPMA에 의한 개재물의 성분 조성 분석을 행하였다. 이때, 각 샘플에 대해 50개 이상의 개재물을 무작위로 선택하여 조성 분석을 행하고 그 평균치를 구하였다.In the round bar after forging, the sample was cut out from the center part of the ingot bottom equivalent position, and the component composition analysis of the inclusion by EPMA was performed. At this time, 50 or more inclusions were randomly selected for each sample, and the composition was analyzed and the average value thereof was obtained.

[피로 시험 및 개재물 사이즈 측정][Fatigue test and inclusion size measurement]

단조 후의 둥근 막대에 있어서, 강괴 저부 상당 위치의 중심부로부터 반경 방향으로 직경 : 10 ㎜ × 길이 : 30 ㎜의 평활 시험편을 채취하고, 하기의 조건에서 피로 시험을 실시하였다. 또한, 피로 시험편과 동일한 위치로부터 채취한 시험편을 이용하여 상온에서 인장 시험을 실시하였다. 그리고 피로 한도의 지표로서 내구 한도비[피로 강도(σW)/인장 강도(σB)]를 측정하였다.In the round bar after forging, the smooth test piece of diameter: 10 mm x length: 30 mm was extract | collected radially from the center part of the ingot bottom equivalent position, and the fatigue test was implemented on condition of the following. In addition, a tensile test was performed at room temperature using a test piece taken from the same position as the fatigue test piece. The endurance limit ratio (fatigue strength (σ W ) / tensile strength (σ B )) was measured as an index of the fatigue limit.

시험 방법 : 회전 구부림 피로 시험(응력비 = -1, 회전수 : 3600 rpm)Test method: rotation bending fatigue test (stress ratio = -1, number of revolutions: 3600 rpm)

피로 강도 평가 방법 : 계차법Fatigue Strength Evaluation Method: Method

계차 응력 : 20 ㎫Dependent stress: 20 MPa

초기 응력 : 300 ㎫Initial stress: 300 MPa

시험편 개수 : 각 5개Number of test pieces: 5 each

각 시험편의 피로 강도 = (파단 응력) - (계차 응력)Fatigue Strength for Each Test Specimen = (break stress)-(equal stress)

또한, 피로 시험 후, 피로 파면을 주사형 현미경(SEM)으로 관찰하고, 피로 파괴면의 기점에 존재하는 개재물 사이즈를 측정하고, 개재물의 단면적의 1/2승을 √A로서 구하였다. 이때, MgS 함유 조대 개재물의 유무에 대해서도 조사하였다.In addition, after a fatigue test, the fatigue wave surface was observed with the scanning microscope (SEM), the inclusion size which exists in the starting point of a fatigue fracture surface was measured, and 1/2 square of the cross-sectional area of an inclusion was calculated as (D). At this time, the presence or absence of the coarse inclusion containing MgS was also investigated.

이들의 결과를 일괄적으로 하기 표2에 나타내지만, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 것에서는(강 No.1 내지 11), 개재물이 미세화되어 우수한 내구 한도비(σWB로 0.42 이상)가 달성되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 본 발명에서 규정하는 요건 중 어느 하나가 결여되는 것에서는(강 No.12 내지 17), 개재물의 미세화가 달성되지 않고, 내구 한도비도 낮은 값(σWB로 0.40 이하)밖에 얻어져 있지 않은 것을 알 수 있다.Although these results are collectively shown in Table 2 below, in the case of satisfying the requirements specified in the present invention (steel Nos. 1 to 11), the inclusions are fined and the excellent endurance limit ratio (0.4 W at σ W / σ B) is obtained. It turns out that the above) is achieved. On the other hand, from which either one is devoid of the requirements specified in the present invention (Steel No.12 to 17), without refinement of inclusions is not achieved, the endurance limit only the non-low value (less than 0.40 with σ W / σ B) It turns out that it is not obtained.

Figure 112008087224713-PCT00006
Figure 112008087224713-PCT00006

상기 결과를 기초로 하여, 파면에 있어서의 개재물의 √A와 내구 한도비의 관계를 도1에 나타내지만, 내구 한도비를 향상시키기 위해서는 개재물 사이즈의 미세화(√A에서 160 ㎛ 이하)가 유효한 것을 알 수 있다.Based on the above results, the relationship between √A of the inclusions at the wavefront and the endurance limit ratio is shown in FIG. 1, but in order to improve the endurance limit ratio, it is effective that the size of inclusions (160 μm or less at √A) is effective. Able to know.

강 중의 용존 Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 도2에 나타내지만, 강 중의 용존 Mg 농도가 일정값(5 질량ppm)을 초과하면, 조대 황화물(MgS)이 생성되어 내구 한도비가 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 강 중의 용존 Mg 농도가 일정값(0.04 질량ppm)을 하회하면, 응집되기 쉬운 산화물(그 조성에 대해서는, 상기 표2 참조)이 생성되어 역시 내구 한도비가 저하되는 것을 알 수 있다.Although the relationship between the dissolved Mg concentration in the steel and the endurance limit ratio is shown in FIG. 2, it is found that when the dissolved Mg concentration in the steel exceeds a predetermined value (5 mass ppm), coarse sulfide (MgS) is formed and the endurance limit ratio is lowered. Can be. In addition, when the dissolved Mg concentration in steel is less than a fixed value (0.04 mass ppm), it is understood that an oxide (which is easy to aggregate) is formed (see Table 2 for composition thereof) and the durability limit ratio is lowered.

도3은 산화물 중의 (MgO + Al2O3) 농도 및 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 또한, 도3은 조대 황화물이 생성된 시험 No.16, 17에 대해서는 플롯되어 있지 않은 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 산화물 중의 (MgO + Al203) 농도 및 MgO 농도를 각각 일정값 이상으로 함으로써, 높은 내구 한도비가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 높은 내구 한도비가 얻어진 것에서는 당연히 개재물이 미세한 것으로 된다(상기 도1 참조).Figure 3 shows the effect of (MgO + Al 2 O 3 ) concentration and MgO concentration in the endurance limit ratio in the oxide. 3 is not plotted against Test Nos. 16 and 17 in which coarse sulfides were produced. As is apparent from this result, it can be seen that a high endurance limit ratio can be obtained by setting the (MgO + Al 2 O 3 ) concentration and the MgO concentration in the oxide to a predetermined value or more, respectively. Incidentally, in the case where a high endurance limit ratio is obtained, inclusions are naturally fine (see FIG. 1 above).

도4는 강 중의 용존 Al 농도가 용존 Mg 농도에 미치는 영향을, 슬래그 중 MgO 농도와의 관계로 나타낸 그래프이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 슬래그 중의 MgO 농도가 5 % 미만인 경우에는 목표로 하는 용존 Mg 농도가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 슬래그 중의 MgO 농도가 5 % 이상인 경우에는, 강 중 용존 Al 농도가 50 내지 500 질량ppm으로 되도록 제어함으로써 목표로 하는 용존 Mg 농도가 얻어져 있는 것을 알 수 있다.4 is a graph showing the effect of the dissolved Al concentration in the steel on the dissolved Mg concentration in relation to the MgO concentration in the slag. As is apparent from this result, when the MgO concentration in slag is less than 5%, it turns out that the target dissolved Mg concentration is not obtained. In addition, when MgO concentration in slag is 5% or more, it turns out that the target dissolved Mg concentration is obtained by controlling so that dissolved Al concentration in steel may be 50-500 mass ppm.

도5는 강 중의 용존 Al 농도 및 탑 슬래그 중의 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 질량% 이상으로 하는 동시에, 강 중 용존 Al 농도를 50 내지 500 질량ppm의 범위로 제어함으로써 높은 내구 한도비가 얻어지는 것을 알 수 있다.5 shows the effect of dissolved Al concentration in steel and MgO concentration in top slag on the endurance limit ratio. As is apparent from this result, it can be seen that a high endurance limit ratio can be obtained by controlling the MgO concentration in the top slag to 5 mass% or more and controlling the dissolved Al concentration in the steel in the range of 50 to 500 mass ppm.

도6은 강 중의 Total Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, Total Mg 농도와 내구 한도비는 상관 관계가 낮고, 내구 한도비를 양호하게 하기 위해서는 강 중의 용존 Mg 농도를 제어하는 것(상기 도2)이 매우 유효한 것을 알 수 있다.Figure 6 shows the relationship between the total Mg concentration in the steel and the endurance limit ratio. As is apparent from this result, it can be seen that the correlation between the total Mg concentration and the endurance limit ratio is low, and that the dissolved Mg concentration in the steel is very effective to improve the endurance limit ratio (Fig. 2).

Claims (7)

강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm(이하, ppm은「질량ppm」을 나타냄)인 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm인 것을 특징으로 하는 단조용 강.A forging steel, wherein the dissolved Mg concentration in the steel is 0.04 to 5 ppm (hereinafter, ppm represents "mass ppm") and the dissolved Al concentration in the steel is 50 to 500 ppm. 제1항에 있어서, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 단조용 강.The forging steel according to claim 1, wherein the oxide inclusions contained in the steel satisfy the following formulas (1) and (2). [수학식 1][Equation 1]
Figure 112008087224713-PCT00007
Figure 112008087224713-PCT00007
[수학식 2][Equation 2]
Figure 112008087224713-PCT00008
Figure 112008087224713-PCT00008
단, [MgO] 및 [Al2O3]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al2O3의 함유량(질량%)을 나타냄.However, [MgO] and [Al 2 O 3 ] represent the content (mass%) of MgO and Al 2 O 3 in the oxide inclusions, respectively.
제1항 또는 제2항에 있어서, 강에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛2)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 단조용 강.The forging steel according to claim 1 or 2, wherein the average value of √A is 160 µm or less when the cross-sectional area of the oxide inclusions included in the steel is A (µm 2 ). 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, C : 0.2 내지 1.0 %(이하, %는「질량%」를 나타냄), Si : 0.05 내지 0.6 %, Mn : 0.2 내지 1.5 %, Ni : 4 % 이하(0 %를 포함하지 않음), Cr : 0.5 내지 4 %, Mo : 0.1 내지 1.5 %, V : 0.005 내지 0.3 %를 각각 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 단조용 강.C: 0.2 to 1.0% (hereinafter% represents "mass%"), Si: 0.05 to 0.6%, Mn: 0.2 to 1.5%, Ni: 4 in any one of Claims 1-3. A forging steel comprising% or less (not containing 0%), Cr: 0.5 to 4%, Mo: 0.1 to 1.5%, and V: 0.005 to 0.3%, respectively, wherein the remainder is made of Fe and unavoidable impurities. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 단조용 강을 이용하여 제조된 단조품.A forged product manufactured by using the forging steel according to any one of claims 1 to 4. 제5항에 있어서, 일체형 크랭크축인 단조품.The forging according to claim 5, which is an integral crankshaft. 단조용 강을 제조함에 있어서, 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 % 이상으로 하는 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 단조용 강의 제조 방법.In manufacturing the forging steel, the MgO concentration in the top slag in the molten steel treatment step is 5% or more, and the Al concentration in the molten steel is controlled so that the dissolved Al concentration in the steel is 50 to 500 ppm. Method of manufacturing forging steels.
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